Cómo dimensionar un intercambiador de calor
Para resolver un problema térmico, necesitamos conocer varios parámetros. Entonces se pueden determinar más datos.
Los seis parámetros más importantes incluyen:
- La cantidad de calor a transferir (carga de calor)
- Las temperaturas de entrada y salida en los lados primario y secundario
- La máxima caída de presión permitida en los lados primario y secundario
- La temperatura máxima de funcionamiento
- La presión máxima de funcionamiento
- La tasa de flujo en los lados primario y secundario
Si se conoce el flujo, el calor específico y la diferencia de temperatura en un lado, se puede calcular la carga de calor.
¿Cómo se calcula el área de transferencia de calor de un intercambiador de calor de placas?
La carga de calor de un intercambiador de calor se puede derivar de las dos fórmulas siguientes:
1. Carga de calor, Theta y cálculo LMTD
Donde:
P = carga de calor (btu/h)
m = tasa de flujo másico (lb/h)
cp = calor específico (btu/lb °F)
δt = diferencia de temperatura entre la entrada y la salida en un lado (°F)
k = coeficiente de transferencia de calor (btu/ft2 h °F)
A = área de transferencia de calor (ft2)
LMTD = diferencia de temperatura media logarítmica
T1 = Temperatura de entrada - lado caliente
T2 = Temperatura de salida - lado caliente
T3 = Temperatura de entrada - lado frío
T4 = Temperatura de salida - lado frío
La LMTD puede ser calculada usando la siguiente fórmula, donde ∆T1 = T1-T4 y ∆T2 = T2-T3
2. Coeficiente de transferencia de calor y margen de diseño
El coeficiente total de transferencia de calor global k se define como:
α1 = El coeficiente de transferencia de calor entre el medio caliente y la superficie de transferencia de calor (btu/ft2 h °F)
α2 = El coeficiente de transferencia de calor entre la superficie de transferencia de calor y el medio frío (btu/ft2 h °F)
δ = El espesor de la superficie de transferencia de calor (pies)
Rf = El factor de ensuciamiento (ft2 h °F/btu)
λ = La conductividad térmica del material que separa los medios (btu/ft2 h °F)
kc = Coeficiente de transferencia de calor limpio (Rf=0) (btu/ft2 h °F)
k = Coeficiente de transferencia de calor de diseño (btu/ft2 h °F)
M = Margen de diseño (%)
La combinación de estas dos fórmulas da: M = kc - Rf
es decir, el mayor valor kc, el menor valor Rf- para lograr el mismo margen de diseño.
LMTD
Todos los parámetros de la ecuación pueden influir en la elección del intercambiador de calor. La elección de los materiales normalmente no influye en la eficiencia, sólo las propiedades de resistencia y corrosión de la unidad. En un intercambiador de placas, tenemos las ventajas de pequeñas diferencias de temperatura y espesores de entre 0,3 y 0,6 mm. Los valores alfa
son producto de la gran turbulencia, y el factor de ensuciamiento suele ser muy pequeño. Esto da un valor k que en circunstancias favorables puede ser del orden de 1.400 btu/ft2 h °F.
En los intercambiadores de carcasa y tubos tradicionales, el valor k será inferior a 440 btu/ft2 h °F.
Factores importantes para minimizar el coste del intercambio de calor:
Caída de presión:
Cuanto mayor sea la caída de presión, menor será el intercambio de calor.
LMTD:
Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre los medios, más pequeño será el certificado de rendimiento AHRI
Materiales de construcción
En la mayoría de los intercambiadores de calor Alfa Laval para aplicaciones agua/agua utilizan placas de acero inoxidable AISI 316 de alta calidad. Cuando el contenido de cloruro, no requiere AISI 316, a veces se puede utilizar el material de acero inoxidable AISI 304, que es menos costoso. También hay disponibles otros materiales de placas para diversas aplicaciones. Para los intercambiadores de calor de placas Alfa Laval con soldadura y unión por fusión se utiliza siempre AISI 316. Para agua salada y salobre sólo debe utilizarse titanio.
Limitaciones de presión y temperatura
La temperatura y la presión máximas permitidas influyen en el coste del intercambiador de calor. Por regla general, cuanto menores sean la temperatura y la presión máximas, menor será el coste del intercambiador.
Ensuciamiento y factores de ensuciamiento
El margen de ensuciamiento puede expresarse como un margen de diseño (M), es decir, un porcentaje adicional de la superficie de transferencia de calor, o como un factor de ensuciamiento (Rf ) expresado en unidades m² °C/W o pies2 h °F/btu. Rf debería ser mucho menor para un intercambiador de calor de placas que para un intercambiador de carcasa y tubos. Esto se debe principalmente a dos razones:
1. Valores k más altos significan factores de ensuciamiento más bajos.
El diseño de los intercambiadores de calor de placas proporciona una turbulencia mucho mayor, y por tanto una mayor eficiencia térmica, que un intercambiador de carcasa y tubos. Un valor k típico (agua/agua) para un intercambiador de calor de placas es de 1050-1300 btu/pie2 h °F, mientras que un intercambiador de carcasa y tubos típico da sólo 350-440 btu/pie2 h °F. Un valor Rf típico utilizado para los intercambiadores de carcasa y tubos es de 5,68 pies2 h °F/btu. Con valores k de 350- 440 btu/ft2 h °F, esto da un Margen de 20-25%. (M = kc x Rf ). Para conseguir M = 20-25% en el intercambiador de placas con 1050-1300 btu/ft2 h °F el valor Rf sólo debería ser de 1,87 x 10-4 ft2 h °F/btu.
2. Diferencia en cómo se añade el margen.
En un intercambiador de calor de carcasa y tubos, el margen suele añadirse aumentando la longitud de los tubos, manteniendo el mismo caudal a través de cada tubo. Sin embargo, en un intercambiador de calor de placas, el margen se añade añadiendo canales paralelos, es decir, reduciendo el caudal por canal, lo que da lugar a una menor turbulencia/eficacia y aumenta el riesgo de ensuciamiento. Un factor de ensuciamiento demasiado elevado puede provocar un aumento del ensuciamiento. Para un intercambiador de calor de placas en un servicio agua/agua, un margen del 0-15%, dependiendo de la calidad del agua, suele ser suficiente.